Ökobilanzielle Bewertung der stofflichen CO 2 -Nutzung

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1 Ökobilanzielle Bewertung der stofflichen CO 2 -Nutzung Niklas von der Assen, André Bardow Ökobilanz Werkstatt 2011, RWTH Aachen, Prof. Dr.-Ing. André Bardow andre.bardow@ltt.rwth-aachen.de Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Niklas von der Assen niklas.vonderassen@ltt.rwth-aachen.de Lehrstuhl für Technische Thermodynamik RWTH Aachen University Schinkelstraße 8 D Aachen +49 (0) September

2 Der Kohlenstoff-Kreislauf Zahlenwerte: Mrd t C Atmosphäre Schwarze Zahlen: Jährliche Ströme Weiße Zahlen: Absolute Mengen (280 ppm) ( C Erdreich? CCS 450 CCS: Carbon Capture and Storage 26. September , CCU/CCC Ozeane CCU: Carbon Capture and Utilization LCA - Stoffliche CO2-Nutzung CCC: Carbon Capture and Conversion N. von der Assen

3 Der Kohlenstoff-Kreislauf Zahlenwerte: Mrd t C Atmosphäre Schwarze Zahlen: Jährliche Ströme Weiße Zahlen: Absolute Mengen (280 ppm) CCU könnte nur(360 einen kleinen Beitrag 110 zum Klimaschutz leisten C Kann CCU überhaupt einen Beitrag leisten? Erdreich? CCS 450 CCS: Carbon Capture and Storage 26. September , CCU/CCC Ozeane CCU: Carbon Capture and Utilization LCA - Stoffliche CO2-Nutzung CCC: Carbon Capture and Conversion N. von der Assen

4 Ökobilanz Life Cycle Assessment (LCA)

5 CO 2 -Bereitstellung und -Verwertung Ammoniak-Synthese Geologische Speicherung (CCS) Kraftwerk mit CO 2 -Abscheidung Stoffliche / Chemische CO 2 -Nutzung (CCC) CO 2 Physikalische CO 2 -Nutzung (CCU) ISO 14040/14044: 3.22 Zwischenproduktfluss Produkt-, Stoff- oder Energiefluss, der zwischen den Prozessmodulen des untersuchten Produktsystems auftritt CCS: Carbon Capture and Storage CCU: Carbon Capture and Utilization CCC: Carbon Capture and Conversion

6 Methodische Fragestellungen Goal & Scope Definition Systemgrenzen Zeitliche Bewertung der Emissionen funktionelle Einheit (fe) / Allokation

7 Wahl der Systemgrenzen Gewinnung der Rohstoffe und Vorprodukte Stoffliche CO 2 -Nutzung Nutzphase des Produkts Recycling/ Beseitigung CO 2 -Vorkette berücksichtigen! CO 2 Nutzung Cradle to - (factory) gate Cradle to - grave Jedoch: Nutzung und Recycling/Beseitigung häufig noch ungewiss!

8 Methodische Fragestellungen Goal & Scope Definition Systemgrenzen Zeitliche Bewertung der Emissionen funktionelle Einheit (fe) / Allokation

9 Zeitliche Bewertung der Emissionen Gewinnung der Rohstoffe und Vorprodukte Stoffliche CO 2 -Nutzung Nutzphase des Produkts Recycling/ Beseitigung Nutzung Cradle to - grave gleiche Emissionen CO 2 -Emissionen 0 Zeit [a] 0,5 1 1,5 0 0,5 1 50

10 Zeitliche Bewertung der Emissionen Gewinnung der Rohstoffe und Vorprodukte Stoffliche CO 2 -Nutzung Nutzphase des Produkts Recycling/ Beseitigung Sollte der Emissionszeitpunkt berücksichtigt werden? (CO 2 -Fixierungsdauer) Nutzung Wenn ja: wie? (Diskontierung? Gewichtung: distance-to-limit?) Cradle to - grave gleiche Emissionen CO 2 -Emissionen 0 Zeit [a] 0,5 1 1,5 0 0,5 1 50

11 Methodische Fragestellungen Goal & Scope Definition Systemgrenzen Zeitliche Bewertung der Emissionen funktionelle Einheit (fe) / Alloaktion Allokation

12 Funktionelle Einheit (fe) und Allokation CO 2 CO 2 -Bereitstellung z. B. Kraftwerk mit CO 2 -Abscheidung Stoffliche CO 2 -Nutzung z. B. Methanol-Synthese: 1. CO 2 -Bereitstellung: i.d.r. weitere Produkte (z.b. Elektrizität) Mehrere Produkte des Gesamtsystems (fe = alle Produkte) 2. Problem: z.b. Emissionszertifikate bei mehreren Akteuren Produktspezifische Emissionswerte benötigt (fe = ein Produkt) Allokation notwendig Variante 1: auf Systemebene Variante 2: auf Prozessebene

13 Allokation auf Prozessebene Fall 1: CO 2 als Produkt Mehrprodukt-Prozess CO 2 -Bereitstellung Funktion 1: Elektrizität Kraftwerk mit CO 2 -Abscheidung Funktion 2: reines CO 2 Stoffliche CO 2 -Nutzung P1 Fall 2: CO 2 als Abfall Open-loop Recycling CO 2 -Nutzung Funktion 1: z.b. Methanol Funktion 2: Beseitigung von CO 2 in beiden Fällen: je ein multi-funktionaler Prozess Allokation notwendig

14 Wahl der funktionellen Einheit (fe)

15 Methodische Fragestellungen Goal & Scope Definition Systemgrenzen Zeitliche Bewertung der Emissionen funktionelle Einheit (fe) / Allokation

16 Beispiel: Methanolsynthese aus CO 2 (1) CO 2 -Nutzung: 446 CO H 2 CH 3 OH + H 2 O 120 CO 2 H 2 O CO 2 GWP 100a [kg CO2e/fE] Methanol + Elektrizität Elektrizität Methanol 20 fe: Elektrizität 100 kwh 76 kg Methanol Elektrizität Methanol 0 getrennte Produktion gekoppelte Produktion mit CO2-Nutzung (Windstrom) gekoppelte Produktion mit CO2-Nutzung (DE-Mix) key parameter : reg. Stromerzeugung für Elektrolyse (break even: 0,135 kg CO 2 e/kwh bzw. 7,1 kg CO 2 e/kg H 2 ) Kraftwerk: CO 2 -Abscheidung 88%; Wirkungsgrad 33%; 0,142 kg CO 2 e/(1 kwh + 1,044 kg CO 2 ) Wasser-Elektrolyse: Elektrizitätsbedarf 52,6 kwh/kg H 2 (750 kwh/(76 kg Methanol)) Windkraft: CO 2 -Emissionen 0,011 kg CO 2 e/kwh (ecoinvent) Methanol: 0,27 kg CO 2 e/kg (ecoinvent) Elektrizität: 0,95 kg CO 2 e/kwh (ecoinvent)

17 Beispiel 1: Methanolsynthese aus CO 2 (2) 1 kg Methanol = fe CO 2 0,3 Systemebene Prozessebene CO 2 als Produkt Prozessebene CO 2 als Abfall GWP 100a [kg CO2e/kg CH3OH] 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Referenz Masse Energie Preis Masse Energie Preis Masse Energie Preis Allokation nach:

18 Beispiel 1: Methanolsynthese aus CO 2 (2) 1 kg Methanol = fe CO 2 0,3 Systemebene Prozessebene CO 2 als Produkt Prozessebene CO 2 als Abfall GWP 100a [kg CO2e/kg CH3OH] 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Faktor 6! Referenz Masse Energie Preis Masse Energie Preis Masse Energie Preis Allokations-Möglichkeiten haben großen Einfluss auf die Bewertung!

19 Zusammenfassung & Ausblick CCC kann einen Beitrag zum Klimaschutz leisten Methanol: bei regenerativer Stromerzeugung für H 2 -Elektrolyse Polymere: durch Substitution emissionsreicher Vorprodukte LC-Optimierung für alternative CO 2 -Nutzungspfade Ökobilanz bietet sich für die Bewertung an, dabei 3 methodische Fragestellungen: Wahl der Systemgrenzen Zeitliche Emissions-Bewertung Funktionelle Einheit / Allokation Allgemeingültige Antworten / Framework möglich?

20 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen, Kommentare und Anregungen sind herzlichst willkommen! Prof. Dr.-Ing. André Bardow Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Niklas von der Assen Lehrstuhl für Technische Thermodynamik RWTH Aachen University Schinkelstraße 8 D Aachen +49 (0)